Замедляющие системы. Генераторы с электрическим управлением электронным потоком. Методы и устройства стабилизации частоты и фазы колебании в задающих генераторах простых и сложных сигналов, страница 24

В настоящее время существует класс магнетронов, в которых перестройка частоты может осуществляться электронным мето­дом. Приборы этого класса носят название митронов. Даже у обычных магнетронов принципиально возможна перестройка частоты путем изменения напряжения на аноде. Действительно, при изменении Е дрейфовая скорость электронов  становит­ся иной и условие синхронизма выполняется для СВЧ поля с дру­гой частотой. Однако магнетронные резонансные системы имеют добротность 100 : 200, поэтому максимальная относительная пе­рестройка частоты при изменении анодного напряжения не пре­вышает 0,1...0,3%. Кроме этого, вариация анодным напряжением ведет к резкому изменению тока и мощности магнетрона. Поэто­му, чтобы получить большие изменения частоты генерации, необ­ходимо существенно снизить добротность резонансной системы магнетрона и ограничить анодный ток для стабилизации выходной мощности.

Эти требования выполняются в митронах. В них в качестве анодного блока используют замедляющую систему с добротно­стью в несколько единиц. Для ограничения анодного тока катод, эмитирующий электроны, вынесен из пространства взаимодей­ствия с СВЧ полем, а его место занимает холодный («ложный») катод, не являющийся источником электронов. К холодному ка­тоду относительно заземленной замедляющей системы и прило­жено анодное напряжение, управляющее частотой генерируемых колебаний. Анодный ток и мощность в основном определяются режимом эмитирующего электроны катода.

Важным достоинством таких магнетронов, перестраиваемых напряжением на аноде, является сравнительно большой диапазон перестройки, достигающий 30% от средней частоты при незначительных изменениях выходной мощности, а также линейная зави­симость частоты генерируемых колебаний от величины Е. Так, в  обоснована следующая зависимость при работе магнетрона с колебаниями типа в замедляющей системе

где

n — число элементов (штырей) в замедляющей системе;

 и — радиусы катодного и анодного блоков.

Отсюда частота генерируемых колебаний  линейным   образом зависит от значения постоянных полей:

В то же время достижимая мощность митронов заметно усту­пает классическим магнетронам: в дециметровом и сантиметро­вом диапазонах она составляет при непрерывном режиме неско­лько сотен ватт. КПД также ниже  20...60%.

Поэтому митроны могут с успехом применяться в формирователях  частотно-модулированных колебании.

Следует отметить, что основные усилия по совершенствованию приборов со скрещенными электрическим и магнитным полями в течение последних 30—40 лет сосредоточены в области создания генератором, сочетающих положительные свойства магнетронов и приборов с бегущей волной. В результате техника СВЧ обога­тилась внушительным числом усилителей и автогенераторов, ши­роко применяемых в различных радиотехнических устройствах.

Классификация этих приборов показана на рис. 4.23. В первую очередь их разделяют по виду используемой гармоники на гене­раторы с прямой и обратной волной.

Те в свою очередь, делятся по характеру электронного потока на приборы с замкнутым и разомкнутым электронным потоком. В ряде случаев проводят классификацию по способу создания электронного потока, выделяя генераторы с распределенной эмиссией катода (катод магнетронного типа) и генераторы с инжектированным электронным лучом.

Ниже будут рассмотрены некоторые особенности построения и работы этих приборов.

Наиболее типичным представителем усилителя прямой волны с разомкнутым электронным потоком является ЛБВМ. Эти приборы могут иметь конструкцию как с цилиндрическими, так и с плоскими электродами. На рис. 4.24 приведена схема построе­ния ЛБВМ с инжектируемым электронным лучом, называемая биматроном.

В электронной пушке со скрещенными полями электронный по­ток в своем движении описывает половину петли циклоиды и по­падает в область взаимодействия с СВЧ колебаниями, подавае­мыми в замедляющую систему. Результатом взаимодействия ока­зывается группировка электронного потока, который приобретает волнистую форму с утолщениями в области   тормозящей   фазы продольной  составляющей электрического поля. Амплитуда волны электронною потока возрастает, ее «гребень» приближает­ся к замедляющей системе, электроны отдают   СВЧ полю свою кинетическую энергию, вследствие чего повышается энергия усиливаемого сигнала.

Коэффициент усиления биматронов достигает 30—40%, однако для сохранения устойчивости при наличии отражений на средине замедляющей системы наносят поглотитель или замедляющую систему разбивают на две секции с подключением на ее примыкающие концы согласованных нагрузок. Эти меры снижают КПД усилителя. У лучших образцов ЛБВМ он составляет 50—60%. Полоса рабочих частот при достаточно высокой линейности ФЧХ достигает 40% и более.

Уровни выходной мощности, которые достигнуты в настоящее время в ЛБВМ с инжектируемым лучом, составляют десятки киловатт в непрерывном и сотни в импульсном режиме. Слабая зависимость фазы выходного  сигнала   от   питающих напряжений и входной мощности позволяет   рекомендовать   эти приборы для использования в доплеровских РЛС и радиолока­торах с фазированными антенными решетками. Они находят при­менение также в системах связи.

Еще одной разновидностью ЛБВМ является дематрон. Кон­структивно он отличается от биматрона способом создания элек­тронного потока — в нем вместо холодного катода использован плоский катод, вся поверхность которого обладает эмиссионным свойством либо при нагреве, либо при бомбардировке электрона­ми. Применение такого катода позволяет, как и в магнетроне, получать значительные мощности СВЧ колебаний. В то же время отсутствие замкнутости электронного потока, работа на прямой волне и применение широкополосной замедляющей системы рас­ширяет полосу пропускания дематрона до 30% при коэффициен­те усиления 20 дБ и более. Следует также отметить хорошую стабильность фазовой характеристики и относительно малые га­бариты.

В группе платинотронов — приборов обратной волны типа М с замкнутым электронным потоком — наиболее широкое распро­странение получили амплитроны.